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FVEE • Themen 2016 Netze und Speicher für die Energiewende • Integration von EE-Wärme
Dieser Beitrag behandelt Aspekte der regenerativen Wärme- und Kälteversorgung, die mit einem Anteil von ca. 60 % zum Endenergiebedarf in Deutschland beiträgt. Davon wird über die Hälfte durch Raum- wärme und Warmwasserbedarf verursacht. Der Wärme/Kältesektor trägt daher entscheidend zum Gelingen des gesellschaftlichen Projekts „Energie- wende“ bei.
Während im Bereich der Stromproduktion heute auf beachtliche Erfolge beim Ausbau der regenerativen Ressourcen verwiesen werden kann – innerhalb von 10 Jahren ein Zuwachs um 22 % auf heute 32,6 % –, ist der Zuwachs im Bereich des Wärme/Kältesektors nach wie vor sehr moderat. Er stieg im gleichen Zeit- raum nur um ca. 5 %-Punkte auf heute 13,2 % an.
Darin stellt die Biomasse mit über 11 % heute noch den Löwenanteil [BMWi 2016]. Dieser Anteil ist in den vergangenen Jahren ungefähr gleich geblieben.
Der Grund besteht einerseits in den begrenzten Biomassepotenzialen, andererseits in einer Nutzungs- konkurrenz der Biomasse als Brennstoff für andere Sektoren, z. B. den Verkehrssektor.
Die regenerativen Wärmeträger mit dem größten noch unerschlossenen Potenzial sind die Solarther- mie, die Umgebungswärme und die Geothermie, deren Anteile mit jeweils kleiner als einem Prozent im Wärmemix drastisch unterrepräsentiert sind. In der Einbindung der solaren und geothermischen Energie und der nutzbringenden Kombination mit der Biomasse liegt daher ein großes Potenzial, das es zu erschließen gilt.
Verschiedene und teilweise kontroverse Entwicklungs- routen zur Wärme/Kälte-Versorgung von Wohnquar- tieren aus regenerativen Ressourcen werden disku- tiert. Offen ist heute die Frage nach der Gewichtung der direkten Nutzung regenerativer Wärmequellen und der indirekten Nutzung entlang des Strompfads.
Im Falle der direkten Nutzung kann das regenera- tive Wärmepotenzial sehr effizient genutzt werden, da die energetische Wandlungskette entweder sehr kurz ist (Solarstrahlung ➞ Wärme), oder gar keine Wandlung erforderlich ist (tiefe Geothermie). Allen heutigen Versorgungsoptionen ist jedoch gemein- sam, dass das zukünftige Energiesystem hochgradig integriert sein wird, um die Vor- und Nachteile der spezifischen Technologien optimal miteinander in Einklang zu bringen. „Flexibilität im System“ wird damit ein Gradmesser für den Erfolg der zukünftigen Energieversorgung sein. Dieses ist ein wesentlicher Unterschied zu den deterministischen Versorgungs- konzepten der Vergangenheit.
Besonders im Bereich der „Wärmewende“ haben regenerativ-basierte Versorgungskonzepte lokalen Charakter und müssen sehr heterogene Anforde- rungsprofile abdecken. Aus ökonomischen Gründen und zur Gewährleistung der Versorgungssicherheit wird erwartet, dass die konventionelle Technologie ihre Bedeutung für eine gewisse Übergangsphase behalten wird. Die Implementierung der regenera- tiven Versorgungskonzepte muss daher entlang effi- zienter und skalierbarer Integrationspfade erfolgen, die einen graduellen und damit volkswirtschaftlich vertretbaren Technologiewechsel ermöglichen. Die Erhöhung der Flexibilität im System erfordert flexible Komponenten, passende Infrastrukturen und intelli- gentes Lastmanagement. Investitionen in diese System komponenten sind notwendig.
Ebenso wichtig ist dabei die Schaffung von Trans- parenz und Vertrauen in Gesellschaft, Politik und Praxis. Insbesondere im Bereich der Privatwirtschaft stellen diese notwendigen Investitionen häufig ein Implementierungshemmnis dar. Es ist plausibel, dass die neuen Konzepte ab einer Größenordnung Erfolg haben, in der eine Nutzung gemeinschaftlicher Inves titionen möglich wird und Synergieeffekte zum Tragen kommen können. Diese Größenordnung ist die des Quartiers. Für eine konkrete Planung und Um setzung in einem Quartier muss eine enge Koope ration mit den lokalen Akteuren (Stadtpla- nung, Stadtwerke, Energieanbieter, Wohnungswirt- schaft, Eigentümer, Mieter) stattfinden.
Infrastruktur
Wie im Stromsektor, so kommt auch bei der Wärme/
Kälteversorgung der Infrastruktur eine große Bedeu- tung zu. Im Bereich der Quartiersversorgung betrifft dies die Entwicklung und Pflege der Nah- und Fern- wärmetechnologie. Deren Ursprünge gehen auf das ausgehende 19. Jahrhundert zurück, als erste Dampf- netze zur Wärmeversorgung eingerichtet wurden, die heute als Fernwärmenetze der ersten Generation bezeichnet werden. Sie wurden ab ca. 1930 durch Heißwassernetze mit Betriebstemperaturen oberhalb von 100 °C der zweiten Generation abgelöst, die unter Druck gehalten werden mussten. Es handelte sich daher um schwere und massiv gegründete Kons- truktionen, die wie im Pipelinebau on-site erstellt wurden. Wegen ihrer weiten Verbreitung im Come- con (Rat für gegenseitige Wirtschaftshilfe der sozialis- tischen Staaten) wird diese Bauweise der zweiten
Integration von EE-Wärme in Infrastrukturen zur Versorgung von Quartieren
ISFH
Prof. Dr. Oliver Kastner oliver.kastner@isfh.de
DBFZ Dr. Volker Lenz volker.lenz@dbfz.de
DLR Evelyn Sperber evelyn.sperber@dlr.de
EWE VERTRIEB GmbH Dr. Oliver Ruch
oliver.ruch@ewe.de
HafenCity Universität Dr. Ingo Weidlich
ingo.weidlich@hcu-hamburg.de
Fraunhofer ISE Sebastian Herkel
sebastian.herkel@ise.fraunhofer.de
IZES Guillem Tänzer taenzer@izes.de Bernhard Wern wern@izes.de
S.O.L.I.D GmbH Detlev Seidler d.seidler@solid.at
UFZ
Dr. Kerstin Krellenberg kerstin.krellenberg@ufz.de Dr. Thomas Vienken thomas.vienken@ufz.de
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Generation heute auch als Sowjetunion-Design refe- renziert.
Ein alternatives Design wurde seit den 1980er Jahre in Skandinavien entwickelt. Die Versorgungstempe- raturen wurden hier auf unter 100 °C gesenkt, was leichtere Bauweisen ermöglicht, die effizient indus- triell vorgefertigt werden können und direkt und ohne Fundamentierung in den Untergrund verlegt werden. Diese Entwicklungslinie bildet die dritte Generation der Fernwärmenetze. Die Absenkung des Temperaturniveaus geht einher mit einer graduellen Vermeidung der Wärmeverluste im Netz.
Im Bereich der regenerativen Wärmeversorgung wird an diese Entwicklung angeknüpft. Wärmenetze der kommenden vierten Generation zielen auf einen Wärmetransport bei weiter abgesenkten Tempera- turen, um den Anforderungen regenerativer Nied- rigtemperatur-Wärme einerseits und sinkenden Wär- meanforderungen infolge besserer Dämmstandards andererseits entsprechen zu können. Es geht um eine weitere Anpassung der Infrastruktur an den Bedarf im Quartier, eine Effizienzsteigerung durch Nieder- temperatur-Anwendungen und die Integration in regenerative Erzeugerstrukturen durch smartes Last- management.
Neben diesen technischen Aspekten geht es auch darum, die Implementierungsakzeptanz moder- ner Wärmenetze durch angepasste Planungshilfen zu erhöhen, die die gesamte Prozesskette von der Erzeugung über die Verteilung bis zur Haustechnik überblicken muss [Lund 2014].
Gebäudeeffizienz
Dank finanzieller Förderung und gesetzlicher Vor- gaben konnte die Gebäudeeffizienz durch Däm- mung und konzeptionelle Maßnahmen in den ver- gangenen Jahren stark verbessert werden. Sofern diese Anstrengungen weiter erhöht und die resul- tierenden Effizienzsteigerungen nicht durch einen erhöhten Verbrauch aufgezehrt werden, kann der Raumwärmebedarf im Quartier langfristig bis auf die Größenordnung des Warmwasserbedarfs sin- ken. Für Fernwärmenetze der dritten Generation (Vorlauftemperaturen um 90 °C) wird ein Grenzbe- darf von 250 MWh/ha als Wirtschaftlichkeitsgrenze angegeben [Hoffstede 2006], die jedoch im Einzelfall auch von den eingesetzten Energieträgern und der Struktur des Wärmenetzes abhängt. Moderne Versor- gungskonzepte basieren daher auf Niedertempera- tur-Wärmenetzen in Kombination mit multimodalen, regenerativen Versorgungsszenarien.
Je nach Design ergeben sich verschiedene Varianten der regenerativen Versorgung, in der entsprechend der lokalen Bedingungen Solar- und Geothermie,
Umweltwärme und die Biomasse integriert werden können. Niedertemperatur-Wärmeversorgung erfor- dert angepasste Haustechnik: Die Wärmeabgabe der Raumwärme erfordert Flächenheizungen und darü- ber hinaus einen hydraulischen Abgleich des Heiz- systems, um niedrige Rücklauftemperaturen zu erzie- len; die Trinkwasserhygiene erfordert je nach Systemwahl eine Nachheizung über 60 °C. Nieder- temperatur-Wärmeversorgung legt daher die Ver- wendung von Wärmepumpen zur (zentralen und/
oder dezentralen) Anpassung des Temperatur niveaus nahe. Wärmepumpen werden in der Regel mit Strom angetrieben und stellen daher ein wichtiges Element zur Kopplung zwischen dem Strom- und Wärmesektor dar. Solange der Strommix allerdings durch fossile Energieträger dominiert wird, ist die Emissionsbilanz dadurch beeinträchtigt.
Technologien
Kraft-Wärme-Kopplung (KWK)
Das vorherrschende Geschäftsmodell der konven- tionellen Fernwärmeerzeugung basiert auf dem Prinzip KWK. Wegen seiner volkswirtschaftlich will- kommenen Energieeffizienz wird dieses Modell nach dem KWKG gefördert. Subventioniert wird die Einspeisung einer gewissen Menge KWK-Stroms in das Stromnetz, dessen Höhe sich u. a. nach der Leis- tungsfähigkeit der Erzeugungsanlage richtet.
Die Anlagen werden in der Regel noch wärmegeführt betrieben. Nach Erreichen der subventionierten Voll- benutzungsstunden werden Strommarkt-Mechanis- men wirksam. Zu diesem Zeitpunkt hat die Anlage jedoch erst einen Teil ihrer technischen Lebensdauer erreicht. Spätestens nach Erreichen der subventio- nierten Vollbenutzungsstunden richtet sich der Ertrag der Stromproduktion nach dem erzielbaren Preis an der Strombörse.
Unter der Randbedingung eines fluktuierenden Preises ist es günstig, das Konzept der Wärmefüh- rung zu flexibilisieren: Höherer Ertrag ist möglich, wenn die Stromproduktionszeiten dem Strompreis angepasst werden. Dieses ist möglich, wenn Wär- mespeicher vorhanden sind. Aus diesem Grund wer- den viele Fernwärmestandorte mit Wärmespeichern nachgerüstet. Das Speicherkonzept zeigt also eine neue Richtung auf, in der die Fernwärme nicht mehr als abgeschlossenes System betrachtet wird, sondern als ein eingebettetes System.
Hier ergeben sich Ansatzmöglichkeiten für die Opti- mierung der Systemintegration. Welche Rolle können die erneuerbaren Energieträger dabei spielen?
Oberflächennahe Geothermie
Die oberflächennahe Geothermie besitzt ein hohes Anwendungspotenzial im Bereich der Raumwärme-
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FVEE • Themen 2016 Netze und Speicher für die Energiewende • Stromnetz
versorgung, der Klimatisierung und der saisonalen Wärmespeicherung, sowohl im Neubau, als auch im Bestand. Aber: Eine intensive thermische Nut- zung beeinflusst direkt das Temperaturregime im Untergrund. Eine unkoordinierte intensive Nutzung kann negative ökologische und/oder ökonomische Auswirkungen zur Folge haben. Ziele der koordi- nierten geothermischen Nutzung sind insgesamt, die Umweltauswirkungen und Nutzungskonkurrenzen zu minimieren, die Anlageneffizienz zu maximieren und die Akzeptanz zu erhöhen, um eine ökologische, ökonomische und soziale Nachhaltigkeit zu gewähr- leisten.
Biomasse
Biomasse ist ein natürlicher Energiespeicher. Die Produktion von Biomassebrennstoffen benötigt Energie und kann zum Teil orientiert am Stroman- gebot gefahren werden (z. B. Mühlen und Pressen oder H2-Methanisierung an Biogasanlagen). Der Einsatz von Biomasse wird sich insbesondere auch innerhalb der Versorgung von Quartieren von einem Grundlastangebot zur flexiblen Deckung von Ver- sorgungslücken mit gleichzeitiger Stabilisierung der lokalen Stromversorgung im Verbund aller eingesetz- ter erneuerbarer Energien wandeln. Entsprechende Technologien (z. B. Mikro- und Klein-KWK auch für schwierige Brennstoffe) und Verbundregelungskon- zepte sowie die nötige Dateninfrastruktur sind zu entwickeln und zu etablieren. Dadurch kann die Biomasse dazu beitragen, Versorgungsengpässe im Winter im Wärme- und Strombereich auszugleichen.
Solarthermie
Solarthermische Anlagen der neuesten Generation können Fernwärme auf einem durchschnittlichen Temperaturniveau zwischen 80 und 120 °C liefern.
Geringere Vorlauftemperaturen im Solarkreis bedeu- ten höhere solare Gewinne, da die Effizienz der Kol- lektoren weitestgehend proportional mit steigendem Temperaturunterschied des Wärmeträgers zur Umge- bungstemperatur abnimmt. Daher ist es aus wirt- schaftlichen Gründen bei dem heutigen Preisniveau der fossilen Energien vorzuziehen, Wärmenetze mit Temperaturanforderungen von 65 bis 90 °C zu unter- stützen.
Je nach lokaler Gegebenheit werden verschiedene Einspeisekonzepte verwendet. In Frage kommen Rücklauf-Vorlauf Einspeisung in das Fernwärmenetz oder Rücklauf-Rücklauf Einspeisung.
Speicher
Zum zeitlichen Ausgleich von solarem Dargebot und Wärmenachfrage im Netz werden Speicher einge- setzt. Die Verwendung von Tagesspeichern erlaubt eine solare Deckungsrate von 20–30 % des Bedarfs, je nach Flächenangebot für die Aufstellung der Kol- lektoren und jahreszeitlichem Profil des Wärmever-
brauchs. Eine Herausforderung stellt die Bereitstel- lung von großen Saisonalspeichern dar, um deutlich höhere Deckungsraten von 50 % und mehr zu errei- chen. Unter den großen Saisonalspeichern liefern wiederum geologische Speichersysteme die gering- sten spezifischen Kosten: Erdwärmesonden und Aquiferspeicher. Besonders Aquiferspeicher stellen wegen ihres geringen obertägigen Platzbedarfs eine interessante Technologie für die Bereitstellung von saisonalem Speichervolumen in Ballungsgebieten dar. In Deutschland gibt es hierzu vergleichsweise wenig Erfahrung, insbesondere im Zusammenhang mit der Solarthermie. Hier liegt Forschungsbedarf vor.
Beispiel Österreich
Langjährige Erfahrungen mit der solarthermischen Unterstützung konventioneller Fernwärme liegen in Österreich vor. Ein prominentes Beispiel referen- ziert die Fernwärmeversorgung der Stadt Graz mit mehreren Freiflächenanlagen und einigen dachba- sierten Lösungen zur dezentralen Einspeisung in das Fernwärmenetz, derzeit in Summe etwa 17.000 m² Kollektorfläche. Im Moment wird eine signifikante Erhöhung der solaren Kollektorfläche auf 450.000 Quadratmeter (!) geplant. In das Konzept fließen Saisonalspeicher und Wärmepumpentechnologie ein. Damit soll ein solarer Deckungsanteil von 20 % im Fernwärmegebiet erzielt werden.
Beispiel Dänemark
Prominent ist auch die solarthermische Fernwärme- versorgung in Dänemark. Ein viel referenziertes Bei- spiel ist das Versorgungssystem der Kommune Bra- edstrup in Mitteldänemark [Braedstrup 2016]. Das System umfasst neben einem 18.000 Quadratmeter großen Flachkollektoren-Feld und dem zugehörigen Tagesspeicher auch eine konventionelle KWK-Anlage, einen saisonalen Geospeicher, eine Wärmepumpen- anlage und einen Elektrokessel zur direkten Strom- heizung. Die hochflexible Anlage wird nach dem Börsen-Strompreis gefahren.
Die Anlage bildet damit einen Modellfall für eine multi-modal gekoppelte Energieversorgung ab:
• Bei Strombedarf im Netz und hohen Börsenstrom- preisen produziert die Anlage Strom im Blockheiz- kraftwerk und speist die Abwärme in das Versor- gungsnetz ein.
• Bei geringen Börsenstrompreisen wird Strom aus dem Netz entnommen und mit der Wärme- pumpe der Geospeicher entladen.
• Die Solaranlage unterstützt die Fernwärmeversor- gung und dient auch zur Beladung des Geospei- chers in den Sommermonaten.
Voraussetzung für die effektive Verknüpfung zwi- schen Wärme- und Strompfad ist das Wärmenetz und der daran angeschlossene Wärmespeicher.
Netze und Speicher für die Energiewende • Integration von EE-Wärme
99 FVEE • Themen 2016 Netze und Speicher für die Energiewende • Stromnetz
Aufgrund der Trennung von Wärmeerzeugung und Wärmeverteilung werden Wärmenetze in Dänemark seit Jahrzehnten ausgebaut und entwickelt. Das Kon- zept ist so erfolgreich, dass das Zusammenwachsen kommunaler Wärmenetze zu einem Verbundnetz inklusive Stadtanbindung geplant wird.
Beispiel Deutschland
Aktuelle Forschungs- und Demonstrationsvorhaben in Deutschland, wie zum Beispiel die solarthermische Wärmeversorgung des Neubaugebietes Gutleutmat- ten in Freiburg, adressieren die Frage von Flexibili- sierungsoptionen, sowohl des Betriebes von Wärme- netzen und damit einer Reduktion der sommerlichen Wärmeverluste, als auch der Betriebsführung des Versorgungssystems in Bezug auf den Strommarkt [Oliva 2015]. Im August 2016 wurde die derzeit größte Solarthermie-Anlage in Deutschland mit einer Kollektorfläche von ca. 8.300 Quadrat metern zur Fernwärme-Unterstützung in Senftenberg in Betrieb genommen [Ritter 2016].
Nicht-technische Aspekte für KWK
Eine Transformation des bestehenden KWK-Versor- gungskonzepts in Deutschland zur Einbindung der regenerativen Energieträger muss neben den tech- nischen Konzepten auch eine Reihe nicht-technischer Kriterien berücksichtigen. Darunter die wichtige Frage nach einer akzeptablen Kostenstruktur. Die nicht-technischen Einflussfaktoren spielen besonders im Bestandsquartier eine große Rolle, in denen die neuen Konzepte vorhandenen, traditionellen Rah- menbedingungen begegnen müssen. Grundlage für das Versorgungskonzept ist eine Kenntnis der Bedarfs- strukturen und eine Abschätzung der Bedarfspro- gnose auf Grundlage städtebaulicher und demogra- fischer Daten. Das Ziel ist, marktgerechte Lösungen zu etablieren und den Klimaschutz durch Einbindung regenerativer Technologien in die Bestandsstruk- turen voranzubringen. Die großen gesellschaftlichen Herausforderungen bestehen darin, eine frühzeitige und intensive Einbeziehung der Handlungsträger der Wohnungswirtschaft, Wohnraumnutzer und Energie- wirtschaft zu erreichen.
Quellenangaben
• BMWi 2016: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie. Erneuerbare Energien in Zahlen.
Nationale und internationale Entwicklung im Jahr 2015, September 2016
• Lund 2014: H. Lund, S. Werner, R. Wiltshire, S. Svendsen, J. E. Thorsen, F. Hvelplund, B. V.
Mathiesen. 4th Generation District Heating (4GDH) Integrating smart thermal grids into future sustainable energy systems. Energy 68 (2014) 1-11.
• Braedstrup 2016: Internet: www.braedstrup-fjern- varme.dk, 17.11.2016
• Hoffstede 2006: Hoffstede, U.; Kerzendorf, J.;
von Klopotek, F.: Nahwärme – Ratgeber zur Planung und Errichtung von Nahwärmenetzen.
Wiesbaden: Hessisches Ministerium für Umwelt, Ländlichen Raum und Verbraucherschutz, 2006.
– ISBN 978-3-8927-4249-4.
• Oliva 2015: Oliva, E. Mehmet, A. Ripka, S. Her- kel, W. Kramer, Mehmet Elci Decentralized Solar District Heating Systems, Conference Paper published 2015 in Proceedings of the Euro- Sun 2014 Conference Authors: http://dx.doi.
org/10.18086/eurosun.2014.19.10
• Ritter 2016: Internet: ritter-xl-solar.com/anwen- dungen/waermenetze/senftenberg/. 17.11.2016 Netze und Speicher für die Energiewende • Integration von EE-Wärme
